ドーピング装置およびドーピング方法
【課題】 試料の表面に低エネルギーの中性粒子ビームを照射し、試料が電気的に中性を保つように不純物を導入することができるドーピング装置を提供する。
【解決手段】 ドーピング装置１０は、試料１８に中性粒子を照射して不純物をドープする。ドーピング装置１０は、試料１８を保持する保持台４４と、荷電粒子をプラズマとして発生させるプラズマ室１４と、荷電粒子を試料に向けて加速する電極３２と、加速された荷電粒子を中性化して中性粒子を生成する中性室１６とを備えている。また、このドーピング装置１０は、中性化室１６と試料１８との間に設けられ、中性化室１６で中性化されなかった荷電粒子５４を除去する偏向電極６０と、偏向電極６０により除去された荷電粒子５４を計測することにより試料１８へのドープ量を計測する計測手段６４，６６，６８，７０とを備えている。
【解決手段】 ドーピング装置１０は、試料１８に中性粒子を照射して不純物をドープする。ドーピング装置１０は、試料１８を保持する保持台４４と、荷電粒子をプラズマとして発生させるプラズマ室１４と、荷電粒子を試料に向けて加速する電極３２と、加速された荷電粒子を中性化して中性粒子を生成する中性室１６とを備えている。また、このドーピング装置１０は、中性化室１６と試料１８との間に設けられ、中性化室１６で中性化されなかった荷電粒子５４を除去する偏向電極６０と、偏向電極６０により除去された荷電粒子５４を計測することにより試料１８へのドープ量を計測する計測手段６４，６６，６８，７０とを備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体の表面もしくは極浅い領域に不純物を導入するドーピング装置およびドーピング方法に係り、特に半導体製造分野において、面積の大きな試料に低エネルギー中性粒子ビームを照射して高濃度の不純物を導入するドーピング装置およびドーピング方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１は、従来のドーピング装置を示す模式図である。図１に示すように、従来のドーピング装置は、荷電粒子を発生させるためのプラズマチャンバ５００と、荷電粒子を中性化するための中性化室５０２と、ドーピングを行う試料５０４を保持する保持台５０６と、保持台５０６が配置された試料室５０８とを備えている。
【０００３】
プラズマチャンバ５００で生成された荷電粒子は、引出メッシュ電極５１０により加速され、中性化室５０２に到達する。この中性化室５０２には、ガスフィード５０３から中性化のためのガスが導入され、中性化室５０２の圧力が１０−３Ｐａ台に維持される。ここで、荷電粒子は、電荷交換衝突により一部が中性化され中性粒子ビームとなり、この中性粒子ビームは試料室５０８にある試料５０４の表面に到達し、試料５０４に不純物がドープされる。中性化室５０２内で中性化されなかった荷電粒子は、試料５０４の手前に設けられたサプレッサ５１２によって除去され、中性粒子ビームのみが試料５０４に到達する。
【０００４】
不純物の低エネルギードーピングの分野では、対象とする試料は、大きな面積を有するガラスなどの絶縁物であることが多く、絶縁物試料に対して荷電粒子によるドーピングを行うと、試料の表面において帯電が生じる。この帯電によって荷電粒子が反発されるので単位時間あたりのドープ量が低下し、処理時間が長くなり生産性が低下する。さらに、帯電が進むとほぼすべての荷電粒子が反発され、ドーピングができなくなってしまう。
【０００５】
このような帯電を防止するために、試料５０４の表面の近傍に、例えば熱電子を放出して荷電粒子による帯電を緩和する方法がある。しかしながら、この方法によれば、例えば、直径が２００ｍｍを超えるような大きな面積を有する試料に対して均一な帯電抑制を行うことは難しく、試料の全面に対して不均一なドーピングになりやすい。一般的には、熱電子放出には、タングステンフィラメントを用いることが多いが、タングステンの蒸発による試料の汚染の問題がある。
【０００６】
また、不純物の低エネルギードーピングにおける試料の帯電を防ぐ方法として、図１に示すように、低エネルギー中性粒子ビームを照射する方法がある。この方法によれば、大きな面積を有する試料の表面における帯電を防止しつつ、不純物の低エネルギードーピングを行うことができる。しかしながら、中性化のためのガスが試料室５０８から導入されているため、試料室５０８の圧力が高くなり、中性粒子ビームの軌道が散乱されてしまう。したがって、単位時間あたりのドープ量が低下し、生産性が低下してしまう。
【０００７】
また、中性化室５０２と試料室５０８との間にコンダクタンスの差がほとんどないため、中性化室５０２と試料室５０８との間の圧力差がほとんどない。したがって、電荷交換衝突による荷電粒子の中性化は、中性化室１６で完全に行われているとはいえず、試料室５０８でも行われている。このように、図１に示す従来のドーピング装置の中性化室１６は、中性化のための機能を十分に果たしているとはいえない。
【０００８】
次に、サプレッサ５１２に印加される電圧が１００Ｖ程度より大きい場合、中性化のためのガスが導入されたときに異常放電が起きやすく、異常放電が起きた場合には、サプレッサ５１２の材質のスパッタリングが発生し、試料５０４の汚染が発生する。同様に、飛来してきた荷電粒子によりサプレッサ５１２がスパッタリングされ、サプレッサ５１２を構成する物質の元素が汚染物質として試料５０４にドープされ、歩留まりが低下してしまう。さらに、ドープ量をモニターする機能がないため、ドープ量がバッチ間で一定とならず、歩留まりが低下する。
【０００９】
【特許文献１】特許第３１７０７９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、試料の表面に低エネルギーの中性粒子ビームを照射し、試料が電気的に中性を保つように不純物を導入することができるドーピング装置およびドーピング方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の第１の態様によれば、試料の表面に低エネルギーの中性粒子ビームを照射し、試料が電気的に中性を保つように不純物を導入することができるドーピング装置が提供される。このドーピング装置は、試料に中性粒子を照射して不純物をドープするものである。上記ドーピング装置は、上記試料を保持する保持台と、荷電粒子をプラズマとして発生させるプラズマ発生手段と、上記荷電粒子を上記試料に向けて加速する加速手段と、上記加速された荷電粒子を中性化して中性粒子を生成する中性化手段とを備えている。また、上記ドーピング装置は、上記中性化手段と上記試料との間に設けられ、上記中性化手段によって中性化されなかった荷電粒子を除去する荷電粒子除去手段と、上記荷電粒子除去手段により除去された荷電粒子を計測することにより上記試料へのドープ量を計測する計測手段とを備えている。
【００１２】
中性化手段では、プラズマ発生手段から放出された荷電粒子をすべて中性化できるわけではなく、一部の荷電粒子はそのまま中性化手段を通過してしまう。このため、上記荷電粒子除去手段は、荷電粒子が上記試料に到達しないように、磁場および／または電場により上記荷電粒子の軌道を曲げることが好ましい。
【００１３】
また、上記ドーピング装置は、上記荷電粒子を発生させるプラズマ室と、上記保持台が配置された試料室と、上記プラズマ室と上記試料室との間に配置された中性化室と、上記荷電粒子を中性化するための中性化ガスを上記中性化室に導入する中性化ガス導入ポートとをさらに備えていることが好ましい。
【００１４】
また、上記ドーピング装置は、上記プラズマ室と上記中性化室との間、および、上記中性化室と上記試料室との間に、外部から導入されたガスに対するコンダクタンスを小さくし、上記荷電粒子を中性化する電極をさらに備えていてもよい。これにより、導入されたガスのコンダクタンスを低下させながらも、上記電極内を荷電粒子もしくは中性化されたビームを効率よく通過させて、中性化効率とビームの直進性を高めることができる。
【００１５】
また、上記ドーピング装置は、上記中性化室の上流側および下流側の少なくとも一方に配置された排気ポンプをさらに備えていてもよい。これにより、プラズマ室に導入したガスとの混合を避けることができる。また、ドーピングを行う試料室の圧力を１０−５Ｐａまたは１０−５Ｐａよりも低く維持することができる。
【００１６】
また、本発明の第２の態様によれば、試料の表面に低エネルギーの中性粒子ビームを照射し、試料が電気的に中性を保つように不純物を導入することができるドーピング方法が提供される。このドーピング方法は、荷電粒子をプラズマとして発生させる工程と、上記荷電粒子を試料に向けて加速する工程と、上記加速された荷電粒子を中性化して中性粒子を生成する工程と、中性化されなかった荷電粒子を除去する工程と、上記試料に上記中性粒子を照射して不純物をドープする工程と、上記試料へのドープ量を制御する工程とを有する。
【００１７】
また、上記ドーピング方法は、上記除去された荷電粒子を計測することにより上記試料へのドープ量を計測する工程をさらに有していてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、試料の表面に低エネルギーの中性粒子ビームを照射し、試料が電気的に中性を保つように不純物を導入することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明に係るドーピング装置の実施形態について図２から図７を参照して詳細に説明する。なお、図２から図７において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００２０】
図２は、本発明の第１の実施形態におけるドーピング装置１０を示す模式図である。図２に示すように、ドーピング装置１０は、円筒状の真空容器１２を備えており、この真空容器１２の内部には、プラズマが生成されるプラズマ室１４と、プラズマ室１４のプラズマ中の荷電粒子から中性粒子ビームを生成する中性化室１６と、半導体基板、ガラス、有機物、セラミックスなどの試料１８の加工を行う試料室２０とが形成されている。プラズマ室１４、中性化室１６、および試料室２０は、真空容器１２により外部と隔離されている。図２では、プラズマ室１４、中性化室１６、および試料室２０が真空容器１２により一体に形成されている例が示されているが、プラズマ室１４、中性化室１６、および試料室２０をそれぞれ別個の真空容器により形成し、他の室とフランジなどを介して接続してもよい。なお、真空容器１２の形状として円筒状をその一例として示したが、断面が矩形であったり、それらに類似の形状であってもよい。
【００２１】
ドーピング装置１０は、プラズマ室１４で荷電粒子からなるプラズマを生成した後に、中性化室１６で荷電粒子を中性化して低エネルギーの中性粒子ビームを生成し、試料室２０に配置された試料の表面に照射して不純物をドープするように構成されている。
【００２２】
プラズマ室１４の上部には、真空容器１２内にプロセスガスを導入するプロセスガス導入ポート２２が設けられており、このプロセスガス導入ポート２２はプロセスガス供給源２４に接続されている。また、プラズマ室１４には、排気バルブ２６を介して真空ポンプ２８が接続されている。
【００２３】
プラズマ室１４には、プラズマ室１４内に荷電粒子をプラズマとして発生させるプラズマ発生手段としてのプラズマ生成用電源３０が接続されており、プラズマ室１４と中性化室１６との間には、荷電粒子のエネルギーを加速する第１電極３２が配置されている。この第１電極３２には第１電源３４が接続されている。このように、第１電極３２と第１電源３４とによりプラズマ中の荷電粒子を試料１８に向けて加速する加速手段が構成されている。
【００２４】
中性化室１６には、中性化室１６内に中性化ガスを導入する中性化ガス導入ポート３６が設けられており、この中性化ガス導入ポート３６は中性化ガス供給源３８に接続されている。このような構成により、中性化ガス導入ポート３６を通して中性化室１６の内部に中性化ガスが導入されるようになっている。また、中性化室１６と試料室２０との間には、中性化室１６の内部で中性化されなかった残留荷電粒子を除去する第２電極４０が配置されており、この第２電極４０には第２電源４２が接続されている。このように、第２電極４０と第２電源４２とにより中性化手段によって中性化されなかった荷電粒子を除去する荷電粒子除去手段が構成されている。
【００２５】
試料室２０内には、試料１８を保持する保持台４４が配置されており、この保持台４４の上面に試料１８が載置されている。試料室２０の保持台４４の近傍には、排気バルブ４６を介して真空ポンプ４８が接続されている。この真空ポンプ４８によって試料室２０は所定の圧力に維持される。なお、試料室２０の第２電極４０の近傍にも、排気バルブ５０を介して真空ポンプ５２が接続されている。
【００２６】
また、試料室２０には、第２電極４０で除去しきれなかった残留荷電粒子５４を除去するための偏向電場を形成する偏向電極６０が配置されており、この偏向電極６０は偏向電界発生用電源６２に接続されている。このように、偏向電極６０と偏向電界発生用電源６２とにより中性化手段によって中性化されなかった荷電粒子を除去する荷電粒子除去手段が構成されている。
【００２７】
また、試料室２０には、偏向電極６０により除去された荷電粒子が照射されるターゲット６４が設置されている。このターゲット６４には、ターゲット６４に照射された荷電粒子による電流を計測する電流計６６が接続されている。この電流計６６はアンプ６８を介してコントローラ７０に接続されている。コントローラ７０は、電流計６６により計測された電流値に基づいて試料１８のドープ量を算出し、プラズマ電源３０を制御して荷電粒子の生成量を調整するようになっている。このように、ターゲット６４、アンプ６８、電流計６６、およびコントローラ７０により、荷電粒子除去手段により除去された荷電粒子を計測することにより前記試料へのドープ量を計測する計測手段が構成されている。
【００２８】
次に、本実施形態におけるドーピング装置１０の動作について説明する。まず、試料室２０内の保持台４４の上に試料１８を載置する。そして、真空ポンプ２８および真空ポンプ４８を作動させることにより、真空容器１２内を真空排気し、プラズマ室１４内および試料室２０の圧力を１０−４Ｐａ以下、好ましくは１０−５Ｐａ台に保持する。そして、排気バルブ２６を閉じ、プロセスガス導入ポート２２から不純物を含んだプロセスガスとして例えばＡｓＨ３、Ｂ２Ｈ６などをプラズマ室１４に導入するとともに、プラズマ室１４内の圧力を１０−２Ｐａないしは１０−１Ｐａ台に保持する。
【００２９】
次に、プラズマ生成用電源３０によりプラズマ室１４の内部にエネルギーを加え、プラズマを発生させる。プラズマ室１４の内部にエネルギーを加え、プラズマ室１４の内部にプラズマを発生させるプラズマ発生手段としては、例えば、誘導結合型プラズマを用いることができる。誘導結合型プラズマは、単純な構造で高密度プラズマを生成できるので、近年の半導体製造装置において盛んに活用されるようになってきている。プラズマ発生用電源は、商用周波数である１３．５６ＭＨｚや２．４５ＧＨｚの高周波、あるいは、このような高周波をパルス状に間欠的に印加したものを用いることができる。あるいは、その他の周波数の交流電界、パルス電界、直流電界、磁場、レーザー、衝撃波、接触熱電離などを用いてプラズマ室１４の内部にエネルギーを加えてもよい。
【００３０】
そして、発生させたプラズマから荷電粒子を放出させる。プラズマから荷電粒子を放出させる方法としては、プラズマ自身の発散を利用することができる。物質を加熱（エネルギー添加）していくと、固体(物質の第１の状態)から液体(物質の第２の状態)へ、そして液体(物質の第２の状態)から気体(物質の第３の状態)へと状態が変化するが、さらにエネルギーを加えるとプラズマが生成される。このように、プラズマは、物質の第４の状態と呼ばれる高エネルギー状態にある。このプラズマのエネルギーの高さを利用して、プラズマ自身から荷電粒子を発散させることができる。
【００３１】
しかし、プラズマ自身からの荷電粒子の発散(自然拡散)は、空間電荷制限を受けるため、生産性向上を目的としてプラズマ密度を向上させても、効率的なドーピングが行えない。そこで、試料１８に対して効率的なドーピングを行うために、数十ボルトから数百ボルト、最大で数キロボルトまで荷電粒子のエネルギーを加速することがある。図２に示す例では、第１電源３４により第１電極３２に電圧を印加して、プラズマ室１４のプラズマから荷電粒子を加速するようになっている。
【００３２】
誘導結合型プラズマにより荷電粒子を生成した場合、プラズマが有するプラズマ電位は、放電のための電力やガスの種類、圧力などによって異なるが、おおよそ数Ｖから１００Ｖ程度になる。したがって、荷電粒子の初期エネルギーは、第１電極３２の電位をアース電位とした場合には、おおよそ数ｅＶから１００ｅＶ程度となる。これは、プラズマが第１電極３２と接触する部分にはイオンシースが形成され、プラズマ中の荷電粒子をプラズマ電位相当のエネルギーで加速するからである。
【００３３】
荷電粒子のエネルギーをさらに高めたい場合には、プラズマ電位を上回る電圧を第１電極３２に印加するのがよい。例えば、荷電粒子のエネルギーを１ｋｅＶ程度に高めたい場合には、第１電極３２に約１ｋＶの電圧を印加すればよい。逆に、例えば１００Ｖなど比較的高めのプラズマ電位にあるプラズマから、より低エネルギーの荷電粒子を加速したい場合には、プラズマ室１４の内部に電位制御用電極（図示せず）を設け、電位制御用電極に電圧を印加してプラズマ電位を下げてやればよい。
【００３４】
加速する荷電粒子としては、正の電荷を有する正イオンと、負の電荷を有する負イオンとがあるが、正イオンを加速したい場合には第１電極３２に負の電圧を印加し、負イオンを加速したい場合には第１電極３２に正の電圧を印加する。なお、第１電極３２は、荷電粒子の加速エネルギーを決めるだけでなく、プラズマ室１４と中性化室１６のガスのコンダクタンスを低下させ、荷電粒子の中性化も行う役割を有する。
【００３５】
図３は、第１電極３２の構造の一例を示す斜視図である。図３に示す例では、第１電極３２は、六角柱状のスリット８０が多数組み合わされたハニカム構造８２により構成されている。このハニカム構造８２は、光電子増倍管に用いられるハニカムスリットのような構造を有しており、全開口部に対する光学的開口率が高い。
【００３６】
また、図３に示すハニカム構造８２は、１つのスリット８０の開口部面積に対してスリット８０の長さが長く、アスペクト比が高いため、ガスに対するコンダクタンスが小さい。例えば、スリット８０の六角形の対角線の長さを１ｍｍとし、スリット８０の長さを１０ｍｍとした場合、１つのハニカムスリット８０のコンダクタンスは、約１．２×１０−５（ｍ３/ｓ）しかない。なお、このコンダクタンスの値は、「真空ハンドブック」（日本真空技術株式会社（現、株式会社アルバック）編、オーム社、初版、Ｐ．３５−４０）を参考にして算出した。
【００３７】
これらのハニカムスリット８０は、ガスに対するコンダクタンスが小さいにもかかわらず、直進性のよいビームに対しては、透過率が高い。荷電粒子のうち直進性の良いビーム成分を持つ荷電粒子が、ハニカムスリット８０を通り抜ける際に残留ガス分子との電荷交換衝突により中性化される。この残留ガスは、プラズマ生成用プロセスガスと同一であるために、プラズマ室１４で生成された荷電粒子と同一元素で構成されている。したがって、電荷交換が行われる断面積も最大となり、中性化効率が高い。なお、ここでいう残留ガスまたは残留ガス分子とは、プラズマ室１４に導入された放電用プロセスガスのうち、プラズマ室１４の内部で荷電粒子となることなくプラズマ室１４から流出してきた放電用プロセスガスまたは放電用プロセスガス分子のことをいう。
【００３８】
荷電粒子のうち等方的に拡散する荷電粒子は、ハニカムスリット８０の内壁に衝突し、正イオンの場合は電子の再付着で中性化され、負イオンの場合は電子の脱離により中性化される。このように、第１電極３２によってプラズマ中の荷電粒子の中性化を行うことができる。
【００３９】
図４は、第１電極３２の構造の他の例を示す斜視図である。図４に示す例では、第１電極３２は、多数の薄肉円筒管１８０を束ねたマルチキャピラリー構造１８２により構成されている。通常の厚さの円筒管の場合は、ガスに対するコンダクタンスは小さくできるものの、光学的透過率が低下し得られる中性粒子ビームが少なくなる。このような問題を避けるため、図４に示す例では薄肉円筒管を用いている。
【００４０】
図５は、第１電極３２の構造の他の例を示す斜視図である。図５に示す第１電極３２は、機械加工や放電加工などにより１枚の板２８０に多数の孔２８２を形成した構造を有している。なお、図５に示す例では、１枚の板を用いているが、複数の板に多数の孔を形成してもよい。
【００４１】
なお、図４および図５に示した構造の第１電極においても、図３で示した構造の第１電極と同様の効果が得られる。すなわち、ガスに対するコンダクタンスを小さく保ったまま、直進性の良いビームに対する透過率が高く、円筒状スリット内において荷電粒子の中性化が効率良く行われる。
【００４２】
プラズマ室１４に生成されるプラズマが高密度になるに伴い、デバイ長が短くなるので、第１電極３２を薄い板状の多数の小孔の開いた電極とした場合は、開口部の代表寸法（例えば、円形開口部の場合は直径、ハニカム開口部の場合は対角線長など）が１ｍｍを下回るような小孔ですらプラズマが染み出してきてしまう。ここで、デバイ長は、プラズマ密度と電子温度で決められる長さであり、プラズマを表す寸法の一つとして用いられる。デバイ長λＤ（ｃｍ）は、電子温度をｋＴｅ（ｅＶ）、電子密度（プラズマ密度）をｎｅ（ｃｍ３）とすれば、以下の式で表される。
λＤ＝（ｋＴｅ／４πｎｅ２）１／２ （ｃｍ）
例えば、プラズマ密度が１０１１ｃｍ３、電子温度が４ｅＶである場合、デバイ長はおよそ４７μｍとなる。
【００４３】
デバイ長は、プラズマの準中性状態を保とうとする性質から生じるデバイ遮蔽の効果の及ぶ範囲である。デバイ遮蔽とは、プラズマ中に金属などの異物が挿入された際に、プラズマ中の荷電粒子が異物を取り囲んで、異物の周りに電位の障壁を作り、異物からの電位がプラズマ中に浸透することを防ごうとすること（＝遮蔽）をいう。例えば、正の電荷を帯びた金属棒をプラズマ中に挿入した場合、金属棒の周囲を負の荷電粒子（電子）が取り囲み、正の電荷を帯びた金属棒による電界がプラズマ全体に浸透しないように遮蔽する。
【００４４】
一般に、デバイ長よりも長い機械的寸法の隙間があると、プラズマはその隙間を通り抜けて外部へ染み出すことが知られている。例えば、図３から図５に示すような第１電極３２を用いた場合には、本来はデバイ長よりも径の小さな孔を開ける必要があるが、数ｍｍを超えるような厚みの第１電極３２に１ｍｍを下回るような孔を直径数十ｍｍを超えるような面に形成することは現実的ではない。そこで、第１電極３２を、孔の長さが孔径の２倍から５０倍、好ましくは１０倍程度であるアスペクト比を持つ構造とすることで、プラズマの染み出しを防止することができる。また、先述したように孔の中で荷電粒子と残留ガス分子との電荷交換により荷電粒子が中性化される。よって、第１電極の構造を図３から図５に記載の構造とすることにより、ガスに対するコンダクタンスの低下、プラズマの染み出し防止、中性化の３つの機能を同時に実現することができる。
【００４５】
図５に示す例では、孔径（ハニカム形状や矩形形状の場合は対角線長）は、アスペクト比とプラズマ室１４に生成されるプラズマの密度にもよって異なるが、０．５ｍｍから１０ｍｍとするのがよく、より好ましくは１ｍｍから２ｍｍとするのがよい。例えば、プラズマ室１４に生成されるプラズマの密度を１０１１／ｃｍ３、孔径１ｍｍ、スリット長１０ｍｍとし、板状電極２８０にピッチ１．３３ｍｍで千鳥状に孔２８２を形成した第１電極３２を用いたとき、プラズマが中性化室１６へ染み出すことを防止できた。
【００４６】
そして、中性化室１６にプラズマ室１４に導入したガスと同一種類のガス、例えばＡｓＨ３やＢ２Ｈ６などを導入し、中性化室１６の内部の圧力を１０−３Ｐａから１０−１Ｐａ台に維持する。中性化室１６での荷電粒子の中性化は、電荷交換衝突によって行われる。電荷交換衝突の衝突断面積は、同じガス分子同士において最大となるため、中性化室１６にはプラズマ室１４と同じガスを導入することが効果的であるが、アルゴンやネオンなどの異種のガスを導入してもよい。
【００４７】
また、プラズマ室１４に導入されたガスは、プラズマ室１４と中性化室１６との間に設けられた真空ポンプ２８に接続された排気バルブ２６を開けない限り、すべて中性化室１６に流入する。さらに、中性化室１６と試料室２０との間に設けられた第２電極４０のガスに対するコンダクタンスが小さいため、中性化室１６に導入するガスの流量が少ないか、あるいは中性化室１６に導入するガスがなくても、中性化室１６の内部の圧力を１０−３Ｐａから１０−１Ｐａ台に維持することができる。
【００４８】
第２電極４０は、第１電極３２で加速されたプラズマ中の荷電粒子のうち、第１電極３２および中性化室１６により中性化できなかった残留荷電粒子を除去するためのものである。第１電極３２で加速したエネルギーと同等以上の電圧の符号が逆の電圧を第２電極４０に印加することで、すべての荷電粒子を除去できる。しかしながら、第１電極で数百ボルト以上の加速エネルギーを受けた場合、第２電極４０に数百ボルトを印加すると、中性化室１６の圧力が比較的高いために異常放電を起こすことがあり、ここで荷電粒子を再生成してしまう不都合が生じる場合がある。このような場合には、第２電極４０に印加する電圧を異常放電が起こらない電圧以下に抑える必要がある。第２電極４０へ印加する電圧を低くすると、それを上回るエネルギーを持つ荷電粒子が第２電極４０を通過してしまう。この矛盾は次のようにすることにより解決できる。
【００４９】
すなわち、第２電極４０を第１電極３２と同一の構造とすることで、第２電極４０のスリット内で荷電粒子の中性化が行われ、第２電極４０を通過する荷電粒子を減らすことができる。したがって、第２電極４０の電位を第１電極３２の電位まで高めることなく荷電粒子の除去が効果的に行える。すなわち、第２電極４０を第１電極３２と同じ構造にすることの効果は大きく、残留荷電粒子の中性化率の向上、中性粒子ビームの直進性の向上とを同時に実現することができる。
【００５０】
図２に示すように、試料室２０には、第２電極４０で除去しきれなかった残留荷電粒子を除去するための偏向電場を形成する偏向電極６０が配置されている。例えば、試料の直径が３００ｍｍのとき、長さ２００ｍｍの偏向電極６０を、電極間隔が３００ｍｍ、偏向電極６０の上端から試料１８までの距離が５００ｍｍとなるように配置する。このとき、偏向電極６０に８５０Ｖの電圧を印加することで、例えば、５００Ｖで加速された荷電粒子５０１の偏向距離は４５０ｍｍとなり、試料１８の表面に到達しようとする荷電粒子５０１を完全に除去することができる。
【００５１】
中性粒子ビームによる不純物のドーピングにおいて、最も問題となるのはドープ量の制御である。この問題は、ドーピングする粒子が荷電粒子ではなく、中性粒子であるために、ドープ量を電流として検出できないことに起因している。
【００５２】
そこで、本実施形態では、第２電極４０を通過して試料室２０まで達した残留荷電粒子を電流として計測することによりドープ量を計測している。ここでいう残留荷電粒子とは、プラズマ室１４から引き出された荷電粒子のうち、第１電極３２、中性化室１６、および第２電極４０を通過して試料室２０に到達した後もなお荷電粒子として存在する粒子のことをいう。
【００５３】
すなわち、予めドーピング条件における第２電極４０を通過した後の中性化率を求めておき、例えば偏向電極６０で偏向された残留荷電粒子５４をターゲット６４に照射し、ターゲット６４に流入する残留荷電粒子５４を電流計６６により計測する。計測された電流値に基づいてドープ量を算出することができる。例えば、ターゲット６４としてファラデーカップを用いれば、２次電子による測定誤差をなくすることができるため、ファラデーカップを用いることが好ましい。
【００５４】
電流計６６により計測された電流値に応じて、電流計６６からアンプ６８を経由して、あるいは直接コントローラ７０に信号が送られる。コントローラ７０では、予め求められた中性化率と電流計６６で計測された電流値に基づいてドープ量が決定される。
【００５５】
ドープ量が所定値に達したとき、コントローラ７０からプラズマ生成用電源３０に停止信号が送られ、プラズマの生成が停止される。プラズマ生成が停止されることによって、荷電粒子の発生がなくなるので低エネルギー中性粒子ビームが試料１８に到達しなくなり、ドーピングが終了する。このような一連の動作をすることでドープ量を制御することができる。
【００５６】
また、プラズマ室１４におけるプラズマ生成を停止することなくドープ量を制御することもできる。例えば、試料１８の全面を覆うことができるシャッタ（図示せず）を試料１８の上流側に配置し、所定のドープ量に達した時点でモータや圧搾空気などの動力でシャッタを作動させ、試料１８への低エネルギー中性粒子ビームの照射を物理的に終了させることもできる。
【００５７】
図６は、本発明の第２の実施形態におけるドープ装置の部分拡大図である。図６に示すように、試料室２０には、第２電極４０で除去しきれなかった残留荷電粒子を除去するための偏向磁場を形成するコイル１６０が配置されている。広範囲に均一磁場を形成する必要がある場合には、コイル１６０としてヘルムホルツコイルを用いることが好ましい。このヘルムホルツコイルは、同一形状の２つの円形コイルで構成され、これらの２つの円形コイルをその直径と同じ間隔で配置したものである。このような構成により、２つの円形コイルの中央にできる磁場分布が均一となる。
【００５８】
例えば、第２電極４０から試料１８までの距離が５００ｍｍであり、直径が３００ｍｍの試料にＡｓをドープする場合、第２電極４０と試料１８との間の中間点に直径３００ｍｍのヘルムホルツコイル１６０を配置する。このときのヘルムホルツコイル１６０による磁場強度を０．０５テスラとして均一な磁場を発生させれば、Ａｓ＋のラーマー半径が０．５６ｍとなり、例えば５００Ｖで加速された荷電粒子を完全に除去することができる。ここで、ラーマー半径は、荷電粒子が磁場中で受けるローレンツ力によって回転運動をするときの回転半径である。ラーマー半径ｒは、荷電粒子の質量をｍ、荷電粒子の速度をｖ、荷電粒子の価数をＺ、電子の電荷をｅ、磁場をＢとすると、以下の式で与えられる。
ｒ＝ｍｖ／ＺｅＢ
【００５９】
また、上述した電場と磁場とを組み合わせたＥ×Ｂフィルターを用いて、第２電極４０で除去しきれなかった残留荷電粒子を除去することとしてもよい。この場合においては、図７に示すように、均一磁場を発生できるヘルムホルツコイル１６０と偏向電極６０とを組み合わせて用いることが好ましい。また、高周波電界による荷電粒子の共鳴現象を利用して残留荷電粒子を除去することもできるが、本実施形態のようにビーム径が比較的大きい（直径３００ｍｍ以上）場合には現実的ではない。
【００６０】
これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】従来のドーピング装置を示す模式図である。
【図２】本発明の第１の実施形態におけるドーピング装置を示す模式図である。
【図３】図２に示すドーピング装置の第１電極の一例を示す斜視図である。
【図４】図２に示すドーピング装置の第１電極の他の例を示す斜視図である。
【図５】図２に示すドーピング装置の第１電極の他の例を示す斜視図である。
【図６】本発明の第２の実施形態におけるドーピング装置の部分拡大図である。
【図７】本発明の第３の実施形態におけるドーピング装置を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６２】
１０ ドーピング装置
１４ プラズマ室１４
１６ 中性化室
１８ 試料
２０ 試料室
２４ プロセスガス供給源
２８，４８，５２ 真空ポンプ
３０，３４，４２，６２ 電源
３２，４０ 電極
４４ 保持台
５４ 残留荷電粒子
６０ 偏向電極
６４ ターゲット
６６ 電流計
７０ コントローラ
１６０ ヘルムホルツコイル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体の表面もしくは極浅い領域に不純物を導入するドーピング装置およびドーピング方法に係り、特に半導体製造分野において、面積の大きな試料に低エネルギー中性粒子ビームを照射して高濃度の不純物を導入するドーピング装置およびドーピング方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１は、従来のドーピング装置を示す模式図である。図１に示すように、従来のドーピング装置は、荷電粒子を発生させるためのプラズマチャンバ５００と、荷電粒子を中性化するための中性化室５０２と、ドーピングを行う試料５０４を保持する保持台５０６と、保持台５０６が配置された試料室５０８とを備えている。
【０００３】
プラズマチャンバ５００で生成された荷電粒子は、引出メッシュ電極５１０により加速され、中性化室５０２に到達する。この中性化室５０２には、ガスフィード５０３から中性化のためのガスが導入され、中性化室５０２の圧力が１０−３Ｐａ台に維持される。ここで、荷電粒子は、電荷交換衝突により一部が中性化され中性粒子ビームとなり、この中性粒子ビームは試料室５０８にある試料５０４の表面に到達し、試料５０４に不純物がドープされる。中性化室５０２内で中性化されなかった荷電粒子は、試料５０４の手前に設けられたサプレッサ５１２によって除去され、中性粒子ビームのみが試料５０４に到達する。
【０００４】
不純物の低エネルギードーピングの分野では、対象とする試料は、大きな面積を有するガラスなどの絶縁物であることが多く、絶縁物試料に対して荷電粒子によるドーピングを行うと、試料の表面において帯電が生じる。この帯電によって荷電粒子が反発されるので単位時間あたりのドープ量が低下し、処理時間が長くなり生産性が低下する。さらに、帯電が進むとほぼすべての荷電粒子が反発され、ドーピングができなくなってしまう。
【０００５】
このような帯電を防止するために、試料５０４の表面の近傍に、例えば熱電子を放出して荷電粒子による帯電を緩和する方法がある。しかしながら、この方法によれば、例えば、直径が２００ｍｍを超えるような大きな面積を有する試料に対して均一な帯電抑制を行うことは難しく、試料の全面に対して不均一なドーピングになりやすい。一般的には、熱電子放出には、タングステンフィラメントを用いることが多いが、タングステンの蒸発による試料の汚染の問題がある。
【０００６】
また、不純物の低エネルギードーピングにおける試料の帯電を防ぐ方法として、図１に示すように、低エネルギー中性粒子ビームを照射する方法がある。この方法によれば、大きな面積を有する試料の表面における帯電を防止しつつ、不純物の低エネルギードーピングを行うことができる。しかしながら、中性化のためのガスが試料室５０８から導入されているため、試料室５０８の圧力が高くなり、中性粒子ビームの軌道が散乱されてしまう。したがって、単位時間あたりのドープ量が低下し、生産性が低下してしまう。
【０００７】
また、中性化室５０２と試料室５０８との間にコンダクタンスの差がほとんどないため、中性化室５０２と試料室５０８との間の圧力差がほとんどない。したがって、電荷交換衝突による荷電粒子の中性化は、中性化室１６で完全に行われているとはいえず、試料室５０８でも行われている。このように、図１に示す従来のドーピング装置の中性化室１６は、中性化のための機能を十分に果たしているとはいえない。
【０００８】
次に、サプレッサ５１２に印加される電圧が１００Ｖ程度より大きい場合、中性化のためのガスが導入されたときに異常放電が起きやすく、異常放電が起きた場合には、サプレッサ５１２の材質のスパッタリングが発生し、試料５０４の汚染が発生する。同様に、飛来してきた荷電粒子によりサプレッサ５１２がスパッタリングされ、サプレッサ５１２を構成する物質の元素が汚染物質として試料５０４にドープされ、歩留まりが低下してしまう。さらに、ドープ量をモニターする機能がないため、ドープ量がバッチ間で一定とならず、歩留まりが低下する。
【０００９】
【特許文献１】特許第３１７０７９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、試料の表面に低エネルギーの中性粒子ビームを照射し、試料が電気的に中性を保つように不純物を導入することができるドーピング装置およびドーピング方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の第１の態様によれば、試料の表面に低エネルギーの中性粒子ビームを照射し、試料が電気的に中性を保つように不純物を導入することができるドーピング装置が提供される。このドーピング装置は、試料に中性粒子を照射して不純物をドープするものである。上記ドーピング装置は、上記試料を保持する保持台と、荷電粒子をプラズマとして発生させるプラズマ発生手段と、上記荷電粒子を上記試料に向けて加速する加速手段と、上記加速された荷電粒子を中性化して中性粒子を生成する中性化手段とを備えている。また、上記ドーピング装置は、上記中性化手段と上記試料との間に設けられ、上記中性化手段によって中性化されなかった荷電粒子を除去する荷電粒子除去手段と、上記荷電粒子除去手段により除去された荷電粒子を計測することにより上記試料へのドープ量を計測する計測手段とを備えている。
【００１２】
中性化手段では、プラズマ発生手段から放出された荷電粒子をすべて中性化できるわけではなく、一部の荷電粒子はそのまま中性化手段を通過してしまう。このため、上記荷電粒子除去手段は、荷電粒子が上記試料に到達しないように、磁場および／または電場により上記荷電粒子の軌道を曲げることが好ましい。
【００１３】
また、上記ドーピング装置は、上記荷電粒子を発生させるプラズマ室と、上記保持台が配置された試料室と、上記プラズマ室と上記試料室との間に配置された中性化室と、上記荷電粒子を中性化するための中性化ガスを上記中性化室に導入する中性化ガス導入ポートとをさらに備えていることが好ましい。
【００１４】
また、上記ドーピング装置は、上記プラズマ室と上記中性化室との間、および、上記中性化室と上記試料室との間に、外部から導入されたガスに対するコンダクタンスを小さくし、上記荷電粒子を中性化する電極をさらに備えていてもよい。これにより、導入されたガスのコンダクタンスを低下させながらも、上記電極内を荷電粒子もしくは中性化されたビームを効率よく通過させて、中性化効率とビームの直進性を高めることができる。
【００１５】
また、上記ドーピング装置は、上記中性化室の上流側および下流側の少なくとも一方に配置された排気ポンプをさらに備えていてもよい。これにより、プラズマ室に導入したガスとの混合を避けることができる。また、ドーピングを行う試料室の圧力を１０−５Ｐａまたは１０−５Ｐａよりも低く維持することができる。
【００１６】
また、本発明の第２の態様によれば、試料の表面に低エネルギーの中性粒子ビームを照射し、試料が電気的に中性を保つように不純物を導入することができるドーピング方法が提供される。このドーピング方法は、荷電粒子をプラズマとして発生させる工程と、上記荷電粒子を試料に向けて加速する工程と、上記加速された荷電粒子を中性化して中性粒子を生成する工程と、中性化されなかった荷電粒子を除去する工程と、上記試料に上記中性粒子を照射して不純物をドープする工程と、上記試料へのドープ量を制御する工程とを有する。
【００１７】
また、上記ドーピング方法は、上記除去された荷電粒子を計測することにより上記試料へのドープ量を計測する工程をさらに有していてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、試料の表面に低エネルギーの中性粒子ビームを照射し、試料が電気的に中性を保つように不純物を導入することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明に係るドーピング装置の実施形態について図２から図７を参照して詳細に説明する。なお、図２から図７において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００２０】
図２は、本発明の第１の実施形態におけるドーピング装置１０を示す模式図である。図２に示すように、ドーピング装置１０は、円筒状の真空容器１２を備えており、この真空容器１２の内部には、プラズマが生成されるプラズマ室１４と、プラズマ室１４のプラズマ中の荷電粒子から中性粒子ビームを生成する中性化室１６と、半導体基板、ガラス、有機物、セラミックスなどの試料１８の加工を行う試料室２０とが形成されている。プラズマ室１４、中性化室１６、および試料室２０は、真空容器１２により外部と隔離されている。図２では、プラズマ室１４、中性化室１６、および試料室２０が真空容器１２により一体に形成されている例が示されているが、プラズマ室１４、中性化室１６、および試料室２０をそれぞれ別個の真空容器により形成し、他の室とフランジなどを介して接続してもよい。なお、真空容器１２の形状として円筒状をその一例として示したが、断面が矩形であったり、それらに類似の形状であってもよい。
【００２１】
ドーピング装置１０は、プラズマ室１４で荷電粒子からなるプラズマを生成した後に、中性化室１６で荷電粒子を中性化して低エネルギーの中性粒子ビームを生成し、試料室２０に配置された試料の表面に照射して不純物をドープするように構成されている。
【００２２】
プラズマ室１４の上部には、真空容器１２内にプロセスガスを導入するプロセスガス導入ポート２２が設けられており、このプロセスガス導入ポート２２はプロセスガス供給源２４に接続されている。また、プラズマ室１４には、排気バルブ２６を介して真空ポンプ２８が接続されている。
【００２３】
プラズマ室１４には、プラズマ室１４内に荷電粒子をプラズマとして発生させるプラズマ発生手段としてのプラズマ生成用電源３０が接続されており、プラズマ室１４と中性化室１６との間には、荷電粒子のエネルギーを加速する第１電極３２が配置されている。この第１電極３２には第１電源３４が接続されている。このように、第１電極３２と第１電源３４とによりプラズマ中の荷電粒子を試料１８に向けて加速する加速手段が構成されている。
【００２４】
中性化室１６には、中性化室１６内に中性化ガスを導入する中性化ガス導入ポート３６が設けられており、この中性化ガス導入ポート３６は中性化ガス供給源３８に接続されている。このような構成により、中性化ガス導入ポート３６を通して中性化室１６の内部に中性化ガスが導入されるようになっている。また、中性化室１６と試料室２０との間には、中性化室１６の内部で中性化されなかった残留荷電粒子を除去する第２電極４０が配置されており、この第２電極４０には第２電源４２が接続されている。このように、第２電極４０と第２電源４２とにより中性化手段によって中性化されなかった荷電粒子を除去する荷電粒子除去手段が構成されている。
【００２５】
試料室２０内には、試料１８を保持する保持台４４が配置されており、この保持台４４の上面に試料１８が載置されている。試料室２０の保持台４４の近傍には、排気バルブ４６を介して真空ポンプ４８が接続されている。この真空ポンプ４８によって試料室２０は所定の圧力に維持される。なお、試料室２０の第２電極４０の近傍にも、排気バルブ５０を介して真空ポンプ５２が接続されている。
【００２６】
また、試料室２０には、第２電極４０で除去しきれなかった残留荷電粒子５４を除去するための偏向電場を形成する偏向電極６０が配置されており、この偏向電極６０は偏向電界発生用電源６２に接続されている。このように、偏向電極６０と偏向電界発生用電源６２とにより中性化手段によって中性化されなかった荷電粒子を除去する荷電粒子除去手段が構成されている。
【００２７】
また、試料室２０には、偏向電極６０により除去された荷電粒子が照射されるターゲット６４が設置されている。このターゲット６４には、ターゲット６４に照射された荷電粒子による電流を計測する電流計６６が接続されている。この電流計６６はアンプ６８を介してコントローラ７０に接続されている。コントローラ７０は、電流計６６により計測された電流値に基づいて試料１８のドープ量を算出し、プラズマ電源３０を制御して荷電粒子の生成量を調整するようになっている。このように、ターゲット６４、アンプ６８、電流計６６、およびコントローラ７０により、荷電粒子除去手段により除去された荷電粒子を計測することにより前記試料へのドープ量を計測する計測手段が構成されている。
【００２８】
次に、本実施形態におけるドーピング装置１０の動作について説明する。まず、試料室２０内の保持台４４の上に試料１８を載置する。そして、真空ポンプ２８および真空ポンプ４８を作動させることにより、真空容器１２内を真空排気し、プラズマ室１４内および試料室２０の圧力を１０−４Ｐａ以下、好ましくは１０−５Ｐａ台に保持する。そして、排気バルブ２６を閉じ、プロセスガス導入ポート２２から不純物を含んだプロセスガスとして例えばＡｓＨ３、Ｂ２Ｈ６などをプラズマ室１４に導入するとともに、プラズマ室１４内の圧力を１０−２Ｐａないしは１０−１Ｐａ台に保持する。
【００２９】
次に、プラズマ生成用電源３０によりプラズマ室１４の内部にエネルギーを加え、プラズマを発生させる。プラズマ室１４の内部にエネルギーを加え、プラズマ室１４の内部にプラズマを発生させるプラズマ発生手段としては、例えば、誘導結合型プラズマを用いることができる。誘導結合型プラズマは、単純な構造で高密度プラズマを生成できるので、近年の半導体製造装置において盛んに活用されるようになってきている。プラズマ発生用電源は、商用周波数である１３．５６ＭＨｚや２．４５ＧＨｚの高周波、あるいは、このような高周波をパルス状に間欠的に印加したものを用いることができる。あるいは、その他の周波数の交流電界、パルス電界、直流電界、磁場、レーザー、衝撃波、接触熱電離などを用いてプラズマ室１４の内部にエネルギーを加えてもよい。
【００３０】
そして、発生させたプラズマから荷電粒子を放出させる。プラズマから荷電粒子を放出させる方法としては、プラズマ自身の発散を利用することができる。物質を加熱（エネルギー添加）していくと、固体(物質の第１の状態)から液体(物質の第２の状態)へ、そして液体(物質の第２の状態)から気体(物質の第３の状態)へと状態が変化するが、さらにエネルギーを加えるとプラズマが生成される。このように、プラズマは、物質の第４の状態と呼ばれる高エネルギー状態にある。このプラズマのエネルギーの高さを利用して、プラズマ自身から荷電粒子を発散させることができる。
【００３１】
しかし、プラズマ自身からの荷電粒子の発散(自然拡散)は、空間電荷制限を受けるため、生産性向上を目的としてプラズマ密度を向上させても、効率的なドーピングが行えない。そこで、試料１８に対して効率的なドーピングを行うために、数十ボルトから数百ボルト、最大で数キロボルトまで荷電粒子のエネルギーを加速することがある。図２に示す例では、第１電源３４により第１電極３２に電圧を印加して、プラズマ室１４のプラズマから荷電粒子を加速するようになっている。
【００３２】
誘導結合型プラズマにより荷電粒子を生成した場合、プラズマが有するプラズマ電位は、放電のための電力やガスの種類、圧力などによって異なるが、おおよそ数Ｖから１００Ｖ程度になる。したがって、荷電粒子の初期エネルギーは、第１電極３２の電位をアース電位とした場合には、おおよそ数ｅＶから１００ｅＶ程度となる。これは、プラズマが第１電極３２と接触する部分にはイオンシースが形成され、プラズマ中の荷電粒子をプラズマ電位相当のエネルギーで加速するからである。
【００３３】
荷電粒子のエネルギーをさらに高めたい場合には、プラズマ電位を上回る電圧を第１電極３２に印加するのがよい。例えば、荷電粒子のエネルギーを１ｋｅＶ程度に高めたい場合には、第１電極３２に約１ｋＶの電圧を印加すればよい。逆に、例えば１００Ｖなど比較的高めのプラズマ電位にあるプラズマから、より低エネルギーの荷電粒子を加速したい場合には、プラズマ室１４の内部に電位制御用電極（図示せず）を設け、電位制御用電極に電圧を印加してプラズマ電位を下げてやればよい。
【００３４】
加速する荷電粒子としては、正の電荷を有する正イオンと、負の電荷を有する負イオンとがあるが、正イオンを加速したい場合には第１電極３２に負の電圧を印加し、負イオンを加速したい場合には第１電極３２に正の電圧を印加する。なお、第１電極３２は、荷電粒子の加速エネルギーを決めるだけでなく、プラズマ室１４と中性化室１６のガスのコンダクタンスを低下させ、荷電粒子の中性化も行う役割を有する。
【００３５】
図３は、第１電極３２の構造の一例を示す斜視図である。図３に示す例では、第１電極３２は、六角柱状のスリット８０が多数組み合わされたハニカム構造８２により構成されている。このハニカム構造８２は、光電子増倍管に用いられるハニカムスリットのような構造を有しており、全開口部に対する光学的開口率が高い。
【００３６】
また、図３に示すハニカム構造８２は、１つのスリット８０の開口部面積に対してスリット８０の長さが長く、アスペクト比が高いため、ガスに対するコンダクタンスが小さい。例えば、スリット８０の六角形の対角線の長さを１ｍｍとし、スリット８０の長さを１０ｍｍとした場合、１つのハニカムスリット８０のコンダクタンスは、約１．２×１０−５（ｍ３/ｓ）しかない。なお、このコンダクタンスの値は、「真空ハンドブック」（日本真空技術株式会社（現、株式会社アルバック）編、オーム社、初版、Ｐ．３５−４０）を参考にして算出した。
【００３７】
これらのハニカムスリット８０は、ガスに対するコンダクタンスが小さいにもかかわらず、直進性のよいビームに対しては、透過率が高い。荷電粒子のうち直進性の良いビーム成分を持つ荷電粒子が、ハニカムスリット８０を通り抜ける際に残留ガス分子との電荷交換衝突により中性化される。この残留ガスは、プラズマ生成用プロセスガスと同一であるために、プラズマ室１４で生成された荷電粒子と同一元素で構成されている。したがって、電荷交換が行われる断面積も最大となり、中性化効率が高い。なお、ここでいう残留ガスまたは残留ガス分子とは、プラズマ室１４に導入された放電用プロセスガスのうち、プラズマ室１４の内部で荷電粒子となることなくプラズマ室１４から流出してきた放電用プロセスガスまたは放電用プロセスガス分子のことをいう。
【００３８】
荷電粒子のうち等方的に拡散する荷電粒子は、ハニカムスリット８０の内壁に衝突し、正イオンの場合は電子の再付着で中性化され、負イオンの場合は電子の脱離により中性化される。このように、第１電極３２によってプラズマ中の荷電粒子の中性化を行うことができる。
【００３９】
図４は、第１電極３２の構造の他の例を示す斜視図である。図４に示す例では、第１電極３２は、多数の薄肉円筒管１８０を束ねたマルチキャピラリー構造１８２により構成されている。通常の厚さの円筒管の場合は、ガスに対するコンダクタンスは小さくできるものの、光学的透過率が低下し得られる中性粒子ビームが少なくなる。このような問題を避けるため、図４に示す例では薄肉円筒管を用いている。
【００４０】
図５は、第１電極３２の構造の他の例を示す斜視図である。図５に示す第１電極３２は、機械加工や放電加工などにより１枚の板２８０に多数の孔２８２を形成した構造を有している。なお、図５に示す例では、１枚の板を用いているが、複数の板に多数の孔を形成してもよい。
【００４１】
なお、図４および図５に示した構造の第１電極においても、図３で示した構造の第１電極と同様の効果が得られる。すなわち、ガスに対するコンダクタンスを小さく保ったまま、直進性の良いビームに対する透過率が高く、円筒状スリット内において荷電粒子の中性化が効率良く行われる。
【００４２】
プラズマ室１４に生成されるプラズマが高密度になるに伴い、デバイ長が短くなるので、第１電極３２を薄い板状の多数の小孔の開いた電極とした場合は、開口部の代表寸法（例えば、円形開口部の場合は直径、ハニカム開口部の場合は対角線長など）が１ｍｍを下回るような小孔ですらプラズマが染み出してきてしまう。ここで、デバイ長は、プラズマ密度と電子温度で決められる長さであり、プラズマを表す寸法の一つとして用いられる。デバイ長λＤ（ｃｍ）は、電子温度をｋＴｅ（ｅＶ）、電子密度（プラズマ密度）をｎｅ（ｃｍ３）とすれば、以下の式で表される。
λＤ＝（ｋＴｅ／４πｎｅ２）１／２ （ｃｍ）
例えば、プラズマ密度が１０１１ｃｍ３、電子温度が４ｅＶである場合、デバイ長はおよそ４７μｍとなる。
【００４３】
デバイ長は、プラズマの準中性状態を保とうとする性質から生じるデバイ遮蔽の効果の及ぶ範囲である。デバイ遮蔽とは、プラズマ中に金属などの異物が挿入された際に、プラズマ中の荷電粒子が異物を取り囲んで、異物の周りに電位の障壁を作り、異物からの電位がプラズマ中に浸透することを防ごうとすること（＝遮蔽）をいう。例えば、正の電荷を帯びた金属棒をプラズマ中に挿入した場合、金属棒の周囲を負の荷電粒子（電子）が取り囲み、正の電荷を帯びた金属棒による電界がプラズマ全体に浸透しないように遮蔽する。
【００４４】
一般に、デバイ長よりも長い機械的寸法の隙間があると、プラズマはその隙間を通り抜けて外部へ染み出すことが知られている。例えば、図３から図５に示すような第１電極３２を用いた場合には、本来はデバイ長よりも径の小さな孔を開ける必要があるが、数ｍｍを超えるような厚みの第１電極３２に１ｍｍを下回るような孔を直径数十ｍｍを超えるような面に形成することは現実的ではない。そこで、第１電極３２を、孔の長さが孔径の２倍から５０倍、好ましくは１０倍程度であるアスペクト比を持つ構造とすることで、プラズマの染み出しを防止することができる。また、先述したように孔の中で荷電粒子と残留ガス分子との電荷交換により荷電粒子が中性化される。よって、第１電極の構造を図３から図５に記載の構造とすることにより、ガスに対するコンダクタンスの低下、プラズマの染み出し防止、中性化の３つの機能を同時に実現することができる。
【００４５】
図５に示す例では、孔径（ハニカム形状や矩形形状の場合は対角線長）は、アスペクト比とプラズマ室１４に生成されるプラズマの密度にもよって異なるが、０．５ｍｍから１０ｍｍとするのがよく、より好ましくは１ｍｍから２ｍｍとするのがよい。例えば、プラズマ室１４に生成されるプラズマの密度を１０１１／ｃｍ３、孔径１ｍｍ、スリット長１０ｍｍとし、板状電極２８０にピッチ１．３３ｍｍで千鳥状に孔２８２を形成した第１電極３２を用いたとき、プラズマが中性化室１６へ染み出すことを防止できた。
【００４６】
そして、中性化室１６にプラズマ室１４に導入したガスと同一種類のガス、例えばＡｓＨ３やＢ２Ｈ６などを導入し、中性化室１６の内部の圧力を１０−３Ｐａから１０−１Ｐａ台に維持する。中性化室１６での荷電粒子の中性化は、電荷交換衝突によって行われる。電荷交換衝突の衝突断面積は、同じガス分子同士において最大となるため、中性化室１６にはプラズマ室１４と同じガスを導入することが効果的であるが、アルゴンやネオンなどの異種のガスを導入してもよい。
【００４７】
また、プラズマ室１４に導入されたガスは、プラズマ室１４と中性化室１６との間に設けられた真空ポンプ２８に接続された排気バルブ２６を開けない限り、すべて中性化室１６に流入する。さらに、中性化室１６と試料室２０との間に設けられた第２電極４０のガスに対するコンダクタンスが小さいため、中性化室１６に導入するガスの流量が少ないか、あるいは中性化室１６に導入するガスがなくても、中性化室１６の内部の圧力を１０−３Ｐａから１０−１Ｐａ台に維持することができる。
【００４８】
第２電極４０は、第１電極３２で加速されたプラズマ中の荷電粒子のうち、第１電極３２および中性化室１６により中性化できなかった残留荷電粒子を除去するためのものである。第１電極３２で加速したエネルギーと同等以上の電圧の符号が逆の電圧を第２電極４０に印加することで、すべての荷電粒子を除去できる。しかしながら、第１電極で数百ボルト以上の加速エネルギーを受けた場合、第２電極４０に数百ボルトを印加すると、中性化室１６の圧力が比較的高いために異常放電を起こすことがあり、ここで荷電粒子を再生成してしまう不都合が生じる場合がある。このような場合には、第２電極４０に印加する電圧を異常放電が起こらない電圧以下に抑える必要がある。第２電極４０へ印加する電圧を低くすると、それを上回るエネルギーを持つ荷電粒子が第２電極４０を通過してしまう。この矛盾は次のようにすることにより解決できる。
【００４９】
すなわち、第２電極４０を第１電極３２と同一の構造とすることで、第２電極４０のスリット内で荷電粒子の中性化が行われ、第２電極４０を通過する荷電粒子を減らすことができる。したがって、第２電極４０の電位を第１電極３２の電位まで高めることなく荷電粒子の除去が効果的に行える。すなわち、第２電極４０を第１電極３２と同じ構造にすることの効果は大きく、残留荷電粒子の中性化率の向上、中性粒子ビームの直進性の向上とを同時に実現することができる。
【００５０】
図２に示すように、試料室２０には、第２電極４０で除去しきれなかった残留荷電粒子を除去するための偏向電場を形成する偏向電極６０が配置されている。例えば、試料の直径が３００ｍｍのとき、長さ２００ｍｍの偏向電極６０を、電極間隔が３００ｍｍ、偏向電極６０の上端から試料１８までの距離が５００ｍｍとなるように配置する。このとき、偏向電極６０に８５０Ｖの電圧を印加することで、例えば、５００Ｖで加速された荷電粒子５０１の偏向距離は４５０ｍｍとなり、試料１８の表面に到達しようとする荷電粒子５０１を完全に除去することができる。
【００５１】
中性粒子ビームによる不純物のドーピングにおいて、最も問題となるのはドープ量の制御である。この問題は、ドーピングする粒子が荷電粒子ではなく、中性粒子であるために、ドープ量を電流として検出できないことに起因している。
【００５２】
そこで、本実施形態では、第２電極４０を通過して試料室２０まで達した残留荷電粒子を電流として計測することによりドープ量を計測している。ここでいう残留荷電粒子とは、プラズマ室１４から引き出された荷電粒子のうち、第１電極３２、中性化室１６、および第２電極４０を通過して試料室２０に到達した後もなお荷電粒子として存在する粒子のことをいう。
【００５３】
すなわち、予めドーピング条件における第２電極４０を通過した後の中性化率を求めておき、例えば偏向電極６０で偏向された残留荷電粒子５４をターゲット６４に照射し、ターゲット６４に流入する残留荷電粒子５４を電流計６６により計測する。計測された電流値に基づいてドープ量を算出することができる。例えば、ターゲット６４としてファラデーカップを用いれば、２次電子による測定誤差をなくすることができるため、ファラデーカップを用いることが好ましい。
【００５４】
電流計６６により計測された電流値に応じて、電流計６６からアンプ６８を経由して、あるいは直接コントローラ７０に信号が送られる。コントローラ７０では、予め求められた中性化率と電流計６６で計測された電流値に基づいてドープ量が決定される。
【００５５】
ドープ量が所定値に達したとき、コントローラ７０からプラズマ生成用電源３０に停止信号が送られ、プラズマの生成が停止される。プラズマ生成が停止されることによって、荷電粒子の発生がなくなるので低エネルギー中性粒子ビームが試料１８に到達しなくなり、ドーピングが終了する。このような一連の動作をすることでドープ量を制御することができる。
【００５６】
また、プラズマ室１４におけるプラズマ生成を停止することなくドープ量を制御することもできる。例えば、試料１８の全面を覆うことができるシャッタ（図示せず）を試料１８の上流側に配置し、所定のドープ量に達した時点でモータや圧搾空気などの動力でシャッタを作動させ、試料１８への低エネルギー中性粒子ビームの照射を物理的に終了させることもできる。
【００５７】
図６は、本発明の第２の実施形態におけるドープ装置の部分拡大図である。図６に示すように、試料室２０には、第２電極４０で除去しきれなかった残留荷電粒子を除去するための偏向磁場を形成するコイル１６０が配置されている。広範囲に均一磁場を形成する必要がある場合には、コイル１６０としてヘルムホルツコイルを用いることが好ましい。このヘルムホルツコイルは、同一形状の２つの円形コイルで構成され、これらの２つの円形コイルをその直径と同じ間隔で配置したものである。このような構成により、２つの円形コイルの中央にできる磁場分布が均一となる。
【００５８】
例えば、第２電極４０から試料１８までの距離が５００ｍｍであり、直径が３００ｍｍの試料にＡｓをドープする場合、第２電極４０と試料１８との間の中間点に直径３００ｍｍのヘルムホルツコイル１６０を配置する。このときのヘルムホルツコイル１６０による磁場強度を０．０５テスラとして均一な磁場を発生させれば、Ａｓ＋のラーマー半径が０．５６ｍとなり、例えば５００Ｖで加速された荷電粒子を完全に除去することができる。ここで、ラーマー半径は、荷電粒子が磁場中で受けるローレンツ力によって回転運動をするときの回転半径である。ラーマー半径ｒは、荷電粒子の質量をｍ、荷電粒子の速度をｖ、荷電粒子の価数をＺ、電子の電荷をｅ、磁場をＢとすると、以下の式で与えられる。
ｒ＝ｍｖ／ＺｅＢ
【００５９】
また、上述した電場と磁場とを組み合わせたＥ×Ｂフィルターを用いて、第２電極４０で除去しきれなかった残留荷電粒子を除去することとしてもよい。この場合においては、図７に示すように、均一磁場を発生できるヘルムホルツコイル１６０と偏向電極６０とを組み合わせて用いることが好ましい。また、高周波電界による荷電粒子の共鳴現象を利用して残留荷電粒子を除去することもできるが、本実施形態のようにビーム径が比較的大きい（直径３００ｍｍ以上）場合には現実的ではない。
【００６０】
これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】従来のドーピング装置を示す模式図である。
【図２】本発明の第１の実施形態におけるドーピング装置を示す模式図である。
【図３】図２に示すドーピング装置の第１電極の一例を示す斜視図である。
【図４】図２に示すドーピング装置の第１電極の他の例を示す斜視図である。
【図５】図２に示すドーピング装置の第１電極の他の例を示す斜視図である。
【図６】本発明の第２の実施形態におけるドーピング装置の部分拡大図である。
【図７】本発明の第３の実施形態におけるドーピング装置を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６２】
１０ ドーピング装置
１４ プラズマ室１４
１６ 中性化室
１８ 試料
２０ 試料室
２４ プロセスガス供給源
２８，４８，５２ 真空ポンプ
３０，３４，４２，６２ 電源
３２，４０ 電極
４４ 保持台
５４ 残留荷電粒子
６０ 偏向電極
６４ ターゲット
６６ 電流計
７０ コントローラ
１６０ ヘルムホルツコイル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に中性粒子を照射して不純物をドープするドーピング装置であって、
前記試料を保持する保持台と、
荷電粒子をプラズマとして発生させるプラズマ発生手段と、
前記荷電粒子を前記試料に向けて加速する加速手段と、
前記加速された荷電粒子を中性化して中性粒子を生成する中性化手段と、
前記中性化手段と前記試料との間に設けられ、前記中性化手段によって中性化されなかった荷電粒子を除去する荷電粒子除去手段と、
前記荷電粒子除去手段により除去された荷電粒子を計測することにより前記試料へのドープ量を計測する計測手段と、
を備えたことを特徴とするドーピング装置。
【請求項２】
前記荷電粒子除去手段は、前記荷電粒子が前記試料に到達しないように、磁場および／または電場により前記荷電粒子の軌道を曲げることを特徴とする請求項１に記載のドーピング装置。
【請求項３】
前記荷電粒子を発生させるプラズマ室と、
前記保持台が配置された試料室と、
前記プラズマ室と前記試料室との間に配置された中性化室と、
前記荷電粒子を中性化するための中性化ガスを前記中性化室に導入する中性化ガス導入ポートと、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のドーピング装置。
【請求項４】
前記プラズマ室と前記中性化室との間、および、前記中性化室と前記試料室との間に、外部から導入されたガスに対するコンダクタンスを小さくし、前記荷電粒子を中性化する電極をさらに備えたことを特徴とする請求項３に記載のドーピング装置。
【請求項５】
前記中性化室の上流側および下流側の少なくとも一方に配置された排気ポンプをさらに備えたことを特徴とする請求項３に記載のドーピング装置。
【請求項６】
荷電粒子をプラズマとして発生させる工程と、
前記荷電粒子を試料に向けて加速する工程と、
前記加速された荷電粒子を中性化して中性粒子を生成する工程と、
中性化されなかった荷電粒子を除去する工程と、
前記試料に前記中性粒子を照射して不純物をドープする工程と、
前記試料へのドープ量を制御する工程と、
を有することを特徴とするドーピング方法。
【請求項７】
前記除去された荷電粒子を計測することにより前記試料へのドープ量を計測する工程をさらに有することを特徴とする請求項６に記載のドーピング方法。
【請求項１】
試料に中性粒子を照射して不純物をドープするドーピング装置であって、
前記試料を保持する保持台と、
荷電粒子をプラズマとして発生させるプラズマ発生手段と、
前記荷電粒子を前記試料に向けて加速する加速手段と、
前記加速された荷電粒子を中性化して中性粒子を生成する中性化手段と、
前記中性化手段と前記試料との間に設けられ、前記中性化手段によって中性化されなかった荷電粒子を除去する荷電粒子除去手段と、
前記荷電粒子除去手段により除去された荷電粒子を計測することにより前記試料へのドープ量を計測する計測手段と、
を備えたことを特徴とするドーピング装置。
【請求項２】
前記荷電粒子除去手段は、前記荷電粒子が前記試料に到達しないように、磁場および／または電場により前記荷電粒子の軌道を曲げることを特徴とする請求項１に記載のドーピング装置。
【請求項３】
前記荷電粒子を発生させるプラズマ室と、
前記保持台が配置された試料室と、
前記プラズマ室と前記試料室との間に配置された中性化室と、
前記荷電粒子を中性化するための中性化ガスを前記中性化室に導入する中性化ガス導入ポートと、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のドーピング装置。
【請求項４】
前記プラズマ室と前記中性化室との間、および、前記中性化室と前記試料室との間に、外部から導入されたガスに対するコンダクタンスを小さくし、前記荷電粒子を中性化する電極をさらに備えたことを特徴とする請求項３に記載のドーピング装置。
【請求項５】
前記中性化室の上流側および下流側の少なくとも一方に配置された排気ポンプをさらに備えたことを特徴とする請求項３に記載のドーピング装置。
【請求項６】
荷電粒子をプラズマとして発生させる工程と、
前記荷電粒子を試料に向けて加速する工程と、
前記加速された荷電粒子を中性化して中性粒子を生成する工程と、
中性化されなかった荷電粒子を除去する工程と、
前記試料に前記中性粒子を照射して不純物をドープする工程と、
前記試料へのドープ量を制御する工程と、
を有することを特徴とするドーピング方法。
【請求項７】
前記除去された荷電粒子を計測することにより前記試料へのドープ量を計測する工程をさらに有することを特徴とする請求項６に記載のドーピング方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００６−２６１０６６（Ｐ２００６−２６１０６６Ａ）
【公開日】平成１８年９月２８日（２００６．９．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−８０４３６（Ｐ２００５−８０４３６）
【出願日】平成１７年３月１８日（２００５．３．１８）
【出願人】（００００００２３９）株式会社荏原製作所 (1,477)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年９月２８日（２００６．９．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月１８日（２００５．３．１８）
【出願人】（００００００２３９）株式会社荏原製作所 (1,477)
【Ｆターム（参考）】
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